随着通信技术的迅速发展,拓展无线通信的信道容量成为解决频谱拥挤的主要目标。携带轨道角动量的涡旋波束其模态复用特性为信道容量拓展带来了广阔前景,因此,轨道角动量涡旋波逐步成为当今的研究热点。电磁涡旋波携带的旋转因子使其波前特性为围绕传输轴向前的螺旋相位面,且不同模态值的涡旋波束之间具有正交性,使其可以实现同一频带传输多路信息,且信道之间相互独立。但是电磁涡旋波束通信还面临诸多挑战,轨道角动量涡旋波束固有的波束发散特性使其远距离信息传输受到限制,并且在空间传输多波束情况下,副瓣干扰会对模态信息完整性造成影响,降低模态纯度,同时波束辐射方向具有不可控的特点。本文针对以上问题对涡旋波束的产生方式进行了深入研究与设计,通过阵列综合的分析方法,设计多种应用环境下涡旋波束产生与调控阵列方案,达到改善电磁涡旋波束特性的目标。本文的主要工作如下:1.基于多环阵列综合的低副瓣法向涡旋波束产生。首先结合环形阵列综合理论与轨道角动量涡旋波束设计原理,提出了多环阵列阵因子的归一化贝塞尔函数形式,通过改变阵元位置与个数,可以对副瓣目标函数进行调控;其次采用遗传算法对目标函数进行优化分析,得到指定发散角条件下的低副瓣涡旋波束的阵列参数,之后提出了一种中心馈电的圆极化微带天线,在天线单元中嵌入一个不均匀U型槽结构,利用其圆极化旋转对称特性可以进行相位补偿。最后,使用中心馈电的圆极化微带天线构建阵列与馈电网络。经过仿真分析与实验加工验证,在波束发散角相同的情况下,本设计在天线圆极化性能稳定条件下增大主副瓣隔离度,解决了涡旋波束垂直通信情况下的旁瓣问题。2.基于锥削分布的低副瓣偏转涡旋波束产生。首先将切比雪夫锥削分布与法向OAM产生阵列相结合,研究激励形式对涡旋波束副瓣的影响,并数值仿真了空间多波束通信效果,验证了波束偏转的副瓣效应对主波束的通信效率影响;之后通过方形阵列与锥削分布理论结合分析,使用中心馈电微带单元设计低副瓣偏转涡旋波束的产生阵列,在此基础上通过激励幅度量化设计简化阵列并研究不同方案波束旁瓣分布特点;最后设计阵列馈电网络,经过仿真分析与加工实测,发现偏转角度为30°的+1模态涡旋波束的主副瓣隔离度有所提升,可以在空间多波束通信场景下实现30°内的低副瓣偏转涡旋波束通信。3.基于人工电磁超表面的涡旋波束调控。首先使用一种多层透射结构周期排列组成平面阵,通过喇叭馈源相位补偿与轨道角动量相位叠加构建平面阵,分析+1模态波束仿真结果,之后通过等效锥形透镜相位对波束扫描角度进行调制,并且研究了扫描方向角度提升带来的方向图与模态覆盖区域影响,其次对精度的不稳定性进行优化研究,采用新单元组阵减弱了平面阵反射,增大口径改进了波束辐射方向的不准确性,为高精度OAM涡旋波束扫描通信奠定了基础。